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齒輪作為機(jī)車車輛、機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心零件，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中須承受沖擊、彎曲、扭轉(zhuǎn)、接觸等復(fù)雜載荷作用。如何提高齒輪的抗疲勞性能一直都是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，大量的研究表明，控制和降低齒輪鋼中的非金屬夾雜物是提高齒輪抗疲勞性能的有效途徑之一。

鋼鐵在冶煉過程中會(huì)產(chǎn)生非金屬夾雜物，張曄寧等研究表明非金屬夾雜物的存在使鋼材力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能及工藝性能下降。在鋼材疲勞性能方面，非金屬夾雜物導(dǎo)致鋼材疲勞性能變差的主要原因?yàn)椋?1)鋼的應(yīng)力不會(huì)隨著夾雜物而進(jìn)行傳遞，應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在夾雜物的周圍，然后產(chǎn)生裂紋，非金屬夾雜物成為整個(gè)應(yīng)力的核心；（2）非金屬夾雜物的變形程度沒有鋼的變形程度高，所以對(duì)鋼進(jìn)行加工處理時(shí)，會(huì)逐漸在鋼和非金屬夾雜物接觸處出現(xiàn)裂紋。研究人員在分析研究鋼材斷口時(shí)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榭蛊谛员黄茐亩霈F(xiàn)斷裂的地方，存在一定的非金屬夾雜物，這些非金屬夾雜物表現(xiàn)為粗大脆性或者呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布且沒有發(fā)生變形。由此可知，鋼的疲勞強(qiáng)度受到非金屬夾雜物數(shù)量的影響，當(dāng)非金屬夾雜物數(shù)量逐漸增多時(shí)，鋼的疲勞強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。非金屬夾雜物對(duì)鋼材疲勞性能影響也與其大小有關(guān)：體積較大的非金屬夾雜物所產(chǎn)生的影響更為嚴(yán)重；非金屬夾雜物的體積大小所帶來的影響要比非金屬夾雜物的含量多少要大許多。

目前，針對(duì)齒輪鋼中的非金屬夾雜物，研究的重點(diǎn)在冶煉過程的控制上，包括如何識(shí)別和控制非金屬夾雜物的形成和發(fā)展，爐渣對(duì)其的影響以及如何優(yōu)化冶煉工藝，但是，對(duì)于成品齒輪鋼材的非金屬夾雜物控制水平的評(píng)估研究相對(duì)較少。常用檢測(cè)方法為GB/T10561標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法對(duì)齒輪鋼中夾雜物進(jìn)行評(píng)價(jià)，新的檢測(cè)方法GB/T40281極值分析法應(yīng)用相對(duì)較少。本文將兩種測(cè)定方法進(jìn)行對(duì)比，研究?jī)煞N檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。同時(shí)嘗試將非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果與齒輪鋼的疲勞極限相關(guān)聯(lián)，在實(shí)施齒輪鋼疲勞試驗(yàn)受限時(shí)，可用非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果來初步確定齒輪鋼的疲勞極限。

1、對(duì)比試驗(yàn)過程和結(jié)果

1.1鋼中非金屬夾雜物分類

按照來源分類：內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物。其中內(nèi)生夾雜物是在冶煉過程中由一些物理和化學(xué)反應(yīng)而生成的夾雜物，主要包括相關(guān)化合物和進(jìn)行脫氧工序時(shí)出現(xiàn)的脫氧物質(zhì)，隨著溫度降低析出的O、S、N與鋼中元素反應(yīng)，生成細(xì)小的氧化物、硫化物和氮化物等殘留物，一般無(wú)法避免；外來夾雜物是在冶煉過程中與周圍物質(zhì)接觸產(chǎn)生的夾雜物，主要包括冶煉和澆鑄時(shí)鋼液表面漂浮的爐渣、從煉鋼爐或鋼包內(nèi)壁中脫落的耐火材料等，能夠通過采取相關(guān)措施避免。

按照化學(xué)成分分類：氧化物類夾雜物、硫化物類夾雜物和氮化物類夾雜物。其中氧化物類夾雜物又分為簡(jiǎn)單氧化物（氧化亞鐵、氧化鐵、氧化錳、二氧化硅、氧化鋁和氧化鎂）；復(fù)雜氧化物（鐵硅酸鹽，液態(tài)的硅酸鹽）；硅酸鹽（錳硅酸鹽和鈣硅酸鹽）。

按夾雜物形態(tài)分類：A類為硫化物類，具有高延展性、有較寬范圍形態(tài)比（長(zhǎng)度／寬度）的單個(gè)灰色夾雜物，一般端部呈圓角；B類為氧化鋁類，大多數(shù)沒有變形、帶角、形態(tài)比小、黑色或帶藍(lán)色的顆粒，沿軋制方向排成一行；C類為硅酸鹽類，具有高的延展性，有較寬范圍形態(tài)比的單個(gè)呈黑色或深色夾雜物，一般端部呈銳角；D類為球狀氧化物類，不變形、帶角或圓形、形態(tài)比一般小于3、黑色或帶藍(lán)色、無(wú)規(guī)則分布的顆粒；Ds類為單顆粒球狀類，圓形或近似圓形，直徑不小于13μm的單顆粒夾雜物。

1.2試驗(yàn)材料

在現(xiàn)有生產(chǎn)的齒輪鋼中選取3根齒輪鋼鍛坯，編號(hào)分別為1＃、2＃和3＃，為了確保對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，3根鍛坯選自3個(gè)不同冶煉爐批次，保證各鍛坯中H、O、P、S含量基本相同，鍛造工藝、鍛后熱處理及鍛坯尺寸相同，取本體試樣進(jìn)行檢測(cè)，鍛坯的化學(xué)成分、殘余元素、氣體含量分別如表1、表2所示。

1.3標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法

根據(jù)GB/T10561-2015《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，分別在3個(gè)鍛坯端面端面1/2半徑（R）處并沿縱向方向延伸切取20mm×10mm×5mm的試樣，取樣位置及尺寸如圖1（ａ）所示。在100倍的放大倍率下，采用標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

由表3結(jié)果可知：1＃、2＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物A類、B類、D類夾雜物粗系和細(xì)系均為0.5級(jí)，C類夾雜物粗系和細(xì)系及Ｄs類夾雜物均為0級(jí)；3＃齒輪鋼鍛坯中A類、D類夾雜物粗系和細(xì)系均為0.5級(jí)，Ｂ類、Ｃ類夾雜物粗系和細(xì)系及Ｄs類夾雜物均為０級(jí)。由此可知1＃、2＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物等級(jí)相同，3＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物等級(jí)優(yōu)于1＃、2＃齒輪鋼鍛坯。

1.4極值分析法

根據(jù)GB/T40281—2021《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-極值分析法》中要求，分別在3個(gè)鍛坯端面1/2半徑（R）處，圓周間隔120°，并沿縱向方向延伸取20mm×10mm×5mm試樣各2個(gè)，共6個(gè)試樣，對(duì)試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光等工序，研制成可用于分析非金屬夾雜物的金相試樣，分析每個(gè)試樣，記錄每個(gè)非金屬夾雜物類型的長(zhǎng)度或直徑，再對(duì)試樣進(jìn)行磨制，每次在磨光時(shí)，應(yīng)至少去除0.3mm的材料，以上檢測(cè)過程可重復(fù)4次，6個(gè)試樣共24個(gè)檢測(cè)面，取樣位置及尺寸如圖1（b）所示。試樣中的非金屬夾雜物進(jìn)行分析時(shí)采用的設(shè)備是Aspex掃描電鏡，夾雜物起始檢測(cè)尺寸為1μm，采用極值法對(duì)夾雜物進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

由表4極值分析法得到的結(jié)果為1＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物最大預(yù)測(cè)尺寸Lmax為67.47μm；2＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物最大預(yù)測(cè)尺寸Lmax為48.90μm；3＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物最大預(yù)測(cè)尺寸Lmax為35.88μm。由此可知1＃、2＃、3＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物最大預(yù)測(cè)尺寸呈遞減趨勢(shì)，3＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物等級(jí)最優(yōu)，2＃齒輪鋼鍛坯次之，1＃齒輪鋼鍛坯為三者中最差。

1.5結(jié)果對(duì)比分析

從兩種檢測(cè)方法得到的檢測(cè)結(jié)果可以看出，在由標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法得到的1＃、2＃齒輪鋼鍛坯的非金屬夾雜物級(jí)別相同的情況下，極值分析法能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出1＃、2＃齒輪鋼鍛坯中非金屬夾雜物的差距。

2、齒輪鋼鍛坯旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

為了對(duì)比3個(gè)齒輪鋼鍛坯的疲勞性能，并嘗試將齒輪鋼鍛坯疲勞性能與第一部分兩種非金屬夾雜物檢測(cè)方法建立起聯(lián)系，分別在1＃、2＃、3＃齒輪鋼鍛坯1/2半徑（R）處各制取45根標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，取樣位置如圖2所示。

試驗(yàn)用試樣經(jīng)過相同加工工藝、滲碳淬火熱處理工藝，有效硬化層深度為1.75mm，加工完成后，通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，采用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T4337—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》，試樣尺寸如圖3所示，獲得室溫下被測(cè)材料的疲勞-壽命曲線（S-N曲線）和被測(cè)材料的基礎(chǔ)疲勞強(qiáng)度值，隨后切取疲勞試樣斷口，對(duì)疲勞斷口進(jìn)行失效模式分析與裂紋溯源。觀察斷口微觀形貌，分析旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣失效形式，并對(duì)觀察到的夾雜物大小進(jìn)行分析。

將試樣放置在主軸轉(zhuǎn)速為3000～6000r/min、頻率為50～100Hz懸臂式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)試樣失效或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)1×107次時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力值及其對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，繪制出疲勞-壽命曲線（S-N曲線）及確定疲勞強(qiáng)度極限值。試驗(yàn)過程中，試樣應(yīng)力分布如圖4所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出的疲勞-壽命曲線（S-N曲線），圖5為1＃齒輪鋼鍛坯的疲勞-壽命曲線（S-N曲線），當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1×107次時(shí)，疲勞強(qiáng)度值約為780MPa；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為3×106次時(shí)，疲勞強(qiáng)度值約為840MPa；對(duì)極限試件的疲勞壽命變化進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出99%可靠性的3×106次循環(huán)的疲勞極限值在700～720MPa。1＃、2＃、3＃齒輪鋼鍛坯旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度如表5所示。

對(duì)1＃齒輪鋼鍛坯失效試樣的斷裂面進(jìn)行斷口分析，試樣均為疲勞斷裂，裂紋源多為自加工表面和非金屬夾雜物。對(duì)斷裂表面進(jìn)行掃描電鏡分析，顯微圖片如圖6所示。測(cè)量顯微圖片中斷口處非金屬夾雜物尺寸，大小約為63～64μm，夾雜物類型為硫化物，該數(shù)值與1.4節(jié)中用極值分析法評(píng)價(jià)出的1＃齒輪鋼鍛坯中的最大預(yù)測(cè)尺寸67.47μm接近。

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果1＃、2＃、3＃齒輪鋼鍛坯的99%可靠度疲勞強(qiáng)度3×106次循環(huán)的疲勞極限值分別為701MPa、1011MPa、1070MPa；試驗(yàn)結(jié)果表明1＃、2＃、3＃齒輪鋼鍛坯的疲勞強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)；該趨勢(shì)與用極值分析法評(píng)價(jià)出的1＃、2＃、3＃齒輪鋼鍛坯中非金屬夾雜物最大預(yù)測(cè)尺寸呈遞減的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，即鋼材中非金屬夾雜物尺寸越小，其疲勞強(qiáng)度越高；同時(shí)對(duì)1＃齒輪鋼鍛坯疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)試樣斷口分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，斷口處非金屬夾雜物大小約為63.3μm，該數(shù)值與1.4節(jié)中用極值分析法評(píng)價(jià)出的1＃齒輪鋼鍛坯中的最大預(yù)測(cè)尺寸67.47μm接近，這也說明了極值分析法評(píng)價(jià)鋼中非金屬夾雜物的準(zhǔn)確性。

3、結(jié)論

（1）由于標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法樣本數(shù)量少，檢驗(yàn)到的非金屬夾雜物存在一定的偶然性，數(shù)據(jù)分散，很難發(fā)現(xiàn)鋼中大尺寸的非金屬夾雜物，國(guó)內(nèi)冶煉工藝水平不斷提高，使得齒輪鋼冶金質(zhì)量也得到了很大提升，導(dǎo)致檢測(cè)非金屬夾雜物時(shí)，不同爐次的齒輪鋼鍛坯所獲得的非金屬夾雜物級(jí)別基本相同，無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)價(jià)。而采用極值分析法對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行分析時(shí)，增加了檢測(cè)次數(shù)，降低了檢測(cè)到非金屬夾雜物的偶然性，而后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠真實(shí)反映出齒輪鋼鍛坯中非金屬夾雜物的真實(shí)尺寸，大大降低檢測(cè)到非金屬夾雜物的偶然性。

（2）標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法采用與圖片對(duì)比的方法來評(píng)定非金屬夾雜物的級(jí)別，數(shù)據(jù)是非連續(xù)性的，級(jí)別與非金屬夾雜物長(zhǎng)度呈指數(shù)增加，無(wú)法與齒輪鋼的疲勞壽命關(guān)聯(lián)起來，采用極值分析法可以顯著提高檢測(cè)效率，得到的非金屬夾雜物的數(shù)值可靠性高，更加接近真實(shí)大小，可以更準(zhǔn)確地反映出非金屬夾雜物在鋼材中的分布情況，易于與鋼材疲勞壽命相關(guān)聯(lián)。鋼材的疲勞試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用高，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)試樣加工精度要求高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，當(dāng)因受疲勞試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)條件等因素限制而無(wú)法進(jìn)行鋼材的疲勞試驗(yàn)時(shí)，可通過極值分析法來評(píng)價(jià)鋼材中的非金屬夾雜物的最大預(yù)測(cè)尺寸Lmax的值來初步判斷所選用的鋼材的疲勞強(qiáng)度是否能達(dá)到要求例如已將1＃齒輪鋼鍛坯做成了齒輪樣件，并進(jìn)行了齒面接觸疲勞試驗(yàn)和齒根彎曲疲勞試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果剛好滿足設(shè)計(jì)要求，可將用極值分析法來評(píng)價(jià)1＃齒輪鋼鍛坯中的非金屬夾雜物的最大預(yù)測(cè)尺寸Lmax＝67.47μm作為一個(gè)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，當(dāng)新選用的齒輪鍛坯用極值分析法得到最大預(yù)測(cè)尺寸Lmax＞67.47μm時(shí)，視為不可用，須做進(jìn)一步的試驗(yàn)測(cè)試來評(píng)價(jià)；當(dāng)Lmax≤67.47μm，則視為可用。